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第57届匹兹堡会议及分析仪器发展趋势评述摘要1
点击次数:271 发布时间:2018-05-21

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第57届匹兹堡会议及分析仪器发展趋势评述

一、质谱仪器及其应用方面的发展趋势

    质谱学及其仪器的发展是近年来分析化学、生命科学等诸多领域所关注的焦点,因此我们也对此给予特别关注。获得了 2006 Pittcon 金奖的 LTQ Orbitrap 在同一台仪器上接合了先进的线性离子阱技术( LTQ ) [830-3 , 1090-6 , 1130-2] 和轨道阱( Orbitrap )技术,是二十多年来质谱分析领域的重大突破,被认为是一种全新的质量分析器。 LTQ Orbitrap 多级串联组合高分辨质谱仪凭借其出众的质量分辨率、质量精密度和动态检测范围等性能,完全超越了现有的飞行时间( TOF )质谱系统,并广泛应用于小分子研究、蛋白质组学、代谢组学和药物开发等领域。由于将轨道阱分析器和 Finnigan 的线性离子阱分析器融合在一起,与传统的质谱仪相比,它能够对复杂的化合物提供快速而灵敏的检测。因具有的很高的准确度、分辨率和灵敏度使它无疑成为现有的 TOF 分析器的强劲竞争者。普度大学的 Cooks[10-2 , 520-1 ,2100-21p] 评价说, LTQ Orbitrap 的性能与 FT-ICR[1140-1] 相当,但 LTQ Orbitrap 却更易于维护;与四极杆 TOF 相比,价格便宜还可以获得更高的分辨率和较好的准确度。热电公司的 PQD ( Pulsed-Q Dissociation ,脉冲 Q 解离 ) 和 Agilent 的 ETD ( electron transfer dissociation ,电子转移解离)裂解装置也引起了人们的关注。 PQD 是可以用于蛋白质分析的新的裂解技术,它消除了离子阱分析器中的质量歧视效应。采用该技术,可以在离子阱质谱中观察到 m/z 小于母体离子 m/z 的三分之一的碎片,而采用传统的离子阱仪器却观察不到。 Cooks 认为,利用 PQD 可以获得高能量的激发环境,提高碎片的强度,因此能够实现对多肽的更好鉴别。一年前首次被提出的 ETD 裂解也是针对蛋白质分析而设计的 [500-3] ,现在已经由 Agilent 和 Bruker 用于商业的离子阱仪器中。 ETD 是一种独特的裂解技术,它可以产生很强的特征碎片,使得肽和蛋白质的分析更加简单。 Varian 推出的 810-MS 和 820-MS 的 ICP-MS 具有新的碰撞反应界面( CRI ) [1450-3] ,可以将碰撞或反应气体直接引入等离子体中,而传统仪器的碰撞或反应器却是处于 ICP-MS 的质量分析器之前。 CRI 的性能与传统的反应器相当,但干扰粒子的影响却更小。对于复杂样品中难测定的元素采用该仪器可以获得更低的检测限和更准确的测定结果。 New Wave Research 的 LIBS-Elite 具备激光溶损技术 [120-4] ,使各种样品的元素分析更为方便。该仪器在常压下采用了敞开的样品池,简化了样品的处理。 Cetac Technologies 展示的 Aridus Ⅱ雾化系统可用于 ICP-AES 和 ICP-MS 中,采用该体系可以获得较好的灵敏度,降低 ICP-MS 中氧化物的量,克服了氧化物谱图与待测物谱图相互迭加的缺点。

    常规质谱仪一般体积和重量都较大,某种程度上限制了它在现场的应用。过去十几年人们一直致力于仪器的小型化研究,当然也包括质谱的小型化研究。在本届的 Pittcon 上,至少出现了三种手提MS[2260-1 , 2260-5 , 2260-6] 系统,其中之一是 Microsaic System 采用 MEMS[260-2 , 681-1] 技术将离子源、四极杆质量分析器和检测器集成后离子芯片 [200-85p] 。这种质谱的离子芯片可用于固体、液体或气体样品的分析。普度大学演示了一种手提式的质谱仪 [200-81p , 2260-8] ,它仅有一个鞋盒大小,重约 10kg ,具有快速准确的特点,可以用于航空安全方面以及环境方面。其他它有关质谱方面的重要进展有热电公司的双聚焦分析器和 Varian 的用于 ICP-MS 的新的 CRI 界面 [1450-3] 。

    如果能用一个高分辨率的显微镜观察样品并获得其化学组成信息, 这样的分析技术将具有广阔的前景。目前,已有实验室正在进行有关将显微技术和光谱技术结合起来的研究 [1340-5] ,而且采用 MS 成像的方法来收集和解释样品的化学信息,能准确描述整个样品中特定分子的分布。 与其它的影像技术相比,以 MS 为基础的影像方法具有更多的优点 [1340-1] ,如不需要对待测物进行标记,分析物可以其zui初的形态被检测,适用于研究生物分子的反应等。

    大多数的研究小组都采用了 SIMS (二级离子质谱) [120-3 , 1340-5 , 200- 51p] 和 MALDI (基体辅助激光解吸电离) [890-8 , 180-7 , 1290-1p , 730-7] 两种技术。在 SIMS 法中,采用高能离子轰击样品,逐出分析物离子(二级离子),离子再进入质量分析器。与之类似, MALDI 也涉及到在化学基体中制备样品,不同之处是在 MALDI 中是用激光辐射样品使之离子化。这两种方法中,都使用 TOF 检测离子 [180-6 , 1200-3] 。这些技术都是互补的, SIMS 探针可以探测到 100nm 的深度,能提供纳米级的分辨率。 MALDI 可以探测更深,但空间分辨率较低,这两种方法在解析完整的生物分子时都是有效的。但就能探测到的分子质量范围来说, SIMS 比 MALDI 更有限。例如, SIMS 可用于分析大的完整的蛋白质,用脉冲光束扫描样品,可以得到化学影像;通过一系列相关位置的谱图可以构建二维图象,或者用脉冲光束照射大量的样品可以得到影像,但需要使用能保持离子空间分布的方法如阵列检测器收集检测离子。在 ME-SIMS( M atrix-enhanced SIMS ) 的zui新应用中, Heeren 和同事对淡水蜗牛的大脑组织样品进行了影像研究 [1340-1] ,发现组织影像与传统的显微图片很相似, MS 影像是来自于样品某一区域的斑纹,图象显示了细胞中肽的位置。将 SIMS 改进后的另一方法是用一薄层金或其它物质包裹样品以提高离子化效率和分析信号。金属辅助的 SIMS 方法与其它的与基体有关的方法相似。 Heeren 的研究小组认为这种新方法可用于制备 MS 显微图片,具有很好的空间和化学分辨率。

    影像技术也吸引着进行临床应用的研究者们, R ichard M. Caprioli 认为 MS 影像技术对于临床化学具有潜在的意义,并zui终应用于医生对病人的诊断方式中 [1340-3] 。 Caprioli 认为实现其潜力的关键在于将影像技术应用于病人疾病的病程确定和疾病发展的预测。 Caprioli 的课题组建立了以 MALDI 为基础的方法,从人体乳腺肿瘤样品的相同微区得到分子特征,而早期病理学家是通过组织学的方法来诊断其良性或恶性的。类似地,在研究软组织肿瘤样品时,化学影像表明,在某些情况下疾病已经渗透到肿瘤周围更大范围的组织,而传统的病理学方法却检测不到。

    Pennsylvania State 大学化学教授 Nicholas Winograd ,zui近进行 SIMS 实验 [1340-5] ,采用了高能 C60离子束 [430-28p] 轰击样品表面,结果表明方法具有良好的空间分辨率,能够获得巨噬细胞和星型细胞的细胞特征和分析物的分布情况。 C 60 的能量与其它的离子束相当 [1340-5] ,却不能到达样品表面以下,这样样品可以连续地被逐层剥离,研究人员就可以得到纵面图形,zui终获得三维的分子影像。该研究小组用含有肽的糖溶液将硅的薄片包裹起来并进行 SIMS 实验,随着薄膜逐渐被 C 60 剥蚀,可以获得糖和肽的稳态信号。zui终,薄膜完全剥离后就可以获得硅的信号。如果用其它的 射线 或原子离子代替 C 60 ,粒子束会快速穿过肽膜而无法提供有关生物分子的信息。总之,生物样品很复杂,对它们进行高分辨率的影像研究和化学成分分析是很有意义的事情,这方面的研究已经获得了令人欣喜的突破。

   

文章出自“北京分析仪器研究所”

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